Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại, công nghệ gia công điều khiển số bằng máy tính (Computer Numerical Control - CNC) đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa năng suất, nâng cao độ chính xác hình học và giảm thiểu sai số chế tạo. Sự phát triển của các dòng máy CNC đa trục, đặc biệt là máy CNC 4 trục, cho phép điều khiển đồng thời nhiều chuyển động, tạo điều kiện thuận lợi để gia công các bề mặt phức tạp chỉ trong một lần gá đặt. Tuy nhiên, để khai thác triệt để năng lực công nghệ của máy CNC 4 trục trong môi trường sản xuất hàng loạt, trang bị công nghệ định vị và kẹp chặt (đồ gá) giữ vai trò quyết định đến độ ổn định, tính lặp lại và năng suất của toàn bộ dây chuyền gia công.

Đồ án tốt nghiệp với đề tài "Thiết kế và chế tạo đồ gá trong gia công hàng loạt trên máy CNC" (Mã số đề tài: CKM-115) được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế hệ thống đồ gá chuyên dùng tích hợp cơ cấu kẹp chặt khí nén - thủy lực, phục vụ quy trình gia công hàng loạt trên máy CNC 4 trục.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo văn bản nhiệm vụ:

  1. Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết gia công cắt gọt kim loại, công nghệ CAD/CAM/CNC và đặc thù của quy trình sản xuất hàng loạt trong công nghiệp cơ khí.
  2. Phân tích kết cấu, yêu cầu kỹ thuật và các bề mặt gia công chính xác của chi tiết sản phẩm (bao gồm yêu cầu gia công 2 lỗ $\varnothing 23$).
  3. Thiết lập các phương án quy trình công nghệ gia công, phân tích chuẩn định vị (chuẩn thô, chuẩn tinh), tính toán lượng dư gia công và thông số chế độ cắt tối ưu.
  4. Tính toán lực cắt, tính toán lực kẹp cần thiết và thiết kế kết cấu bộ đồ gá chuyên dùng trên máy CNC 4 trục TONGTAI.
  5. Lập quy trình công nghệ chế tạo các chi tiết của đồ gá (chi tiết kẹp 1, chi tiết kẹp 2...) và lắp ráp hoàn thiện đồ gá.
  6. Tiến hành thực nghiệm gia công hàng loạt chi tiết trên máy CNC 4 trục, đo đạc kiểm tra chất lượng sản phẩm sau gia công và đánh giá độ chính xác.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ gia công cơ khí và hệ thống đồ gá chuyên dùng sử dụng cơ cấu chấp hành khí nén - thủy lực trên máy phay CNC 4 trục.
  • Phạm vi không gian: Đồ án được thực hiện tại Bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án hoàn thành và nộp báo cáo vào tháng 07/2024 (Học kỳ 2, năm học 2023 - 2024).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nội dung đồ án xây dựng trên nền tảng các lý thuyết cơ sở công nghệ chế tạo máy, công nghệ CAD/CAM/CNC, cơ học kẹp chặt và dung sai đo lường:

  • Lý thuyết gia công cắt gọt kim loại: Phân tích bản chất, khả năng công nghệ và phạm vi ứng dụng của các phương pháp cắt gọt truyền thống và hiện đại:
    • Tiện: Chiếm 25% đến 35% tổng số nguyên công cơ khí, chuyên tạo hình bề mặt tròn xoay.
    • Phay: Chiếm khoảng 20% tổng khối lượng gia công cắt gọt, phân tích chuyên sâu giữa phay thuận (phù hợp phay tinh, giảm nhiệt cắt, tăng tuổi thọ dao lên 50%) và phay nghịch (phù hợp phay thô, phá bỏ lớp vỏ cứng bề mặt).
    • Mài: Mài phẳng, mài tròn ngoài, mài tròn trong nhằm đạt độ mịn và độ chính xác kích thước cao.
    • Cắt dây tia lửa điện (Wire-EDM): Sử dụng dây đồng (thông dụng đường kính 0,25 mm, độ chính xác dẫn hướng kim cương đạt $0,004\text{ mm}$, cắt phôi dày tới $300\text{ mm}$).
  • Lý thuyết hệ thống CAD/CAM/CNC: Nguyên lý chuyển đổi từ mô hình thiết kế 3D/2D sang chương trình điều khiển G-code tự động hóa chu trình gia công.
  • Lý thuyết thiết kế đồ gá cơ khí: Nguyên tắc định vị 6 bậc tự do, kết cấu 6 bộ phận chính của đồ gá (bộ phận định vị, bộ phận kẹp chặt, cơ cấu dẫn hướng/so dao, cơ cấu phân độ, cơ cấu truyền lực, thân đế đồ gá) và phân loại đồ gá (vạn năng, chuyên dùng có tuổi thọ 3-5 năm, tháo lắp, vạn năng - điều chỉnh, đồ gá kiểm tra, đồ gá lắp ráp).
  • Lý thuyết hệ thống truyền động khí nén và thủy lực: Phân tích truyền động quay và truyền động thẳng; các ưu nhược điểm về tổn thất áp suất, tốc độ tác động và đặc tính tải trọng (khối lượng khí nén truyền đi bằng khoảng 30% so với truyền động điện).
  • Lý thuyết dung sai và kỹ thuật đo lường: Dung sai kích thước giới hạn (ví dụ $0,55 - 0,65\text{ mm}$), dung sai đơn/song phương (ví dụ $1,5\text{ mm} + \dots$), dung sai hình học vị trí và biên dạng (GD&T) cùng dung sai lắp ghép.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai trong đồ án gồm:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Hệ thống hóa các công thức tính toán chế độ cắt, lượng dư gia công và phương trình cân bằng lực kẹp chống trượt, chống xoay phôi dưới tác dụng của lực cắt.
  • Phương pháp mô phỏng và thiết kế CAD: Sử dụng phần mềm thiết kế mô hình hóa 3D chi tiết gia công, đồ gá và cụm kẹp chấp hành.
  • Phương pháp thực nghiệm công nghệ: Chế tạo thực tế các chi tiết của đồ gá, lắp ráp lên máy CNC 4 trục TONGTAI, kết nối hệ thống nguồn cấp ben khí/dầu và tiến hành gia công thực tế loạt phôi.
  • Phương pháp kiểm tra đo lường: Sử dụng các dụng cụ đo kiểm chuyên dụng (đồng hồ so, thước cặp, panme) để đo kiểm dung sai kích thước, độ dày và khoảng cách 2 lỗ $\varnothing 23$ sau gia công.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án bao gồm: Bản vẽ chi tiết gia công, bảng tra tiêu chuẩn dạng sản xuất, bảng thông số kỹ thuật máy CNC 4 trục TONGTAI, catalog kỹ thuật của các cơ cấu chấp hành ben hơi và ben dầu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương này giới thiệu tổng thể về công nghệ cắt gọt kim loại, hệ thống tích hợp CAD/CAM/CNC và nhu cầu gia công hàng loạt trong công nghiệp:

  • Trình bày khái niệm công nghệ cắt gọt và phân tích 4 phương pháp thông dụng: tiện (chuyển động quay tròn của phôi và chuyển động tịnh tiến dao), phay (dao quay, phôi tịnh tiến), mài cà (sử dụng đá mài xử lý bề mặt) và cắt dây EDM (cắt vật liệu dẫn điện bằng hồ quang điện tần số cao qua dây kim loại ngâm trong chất lỏng điện môi).
  • Làm rõ cấu trúc và chức năng của CAD (thiết kế, mô phỏng 3D/2D), CAM (lập trình đường chạy dao tự động, xuất mã máy) và máy công cụ CNC (vận hành tự động hóa liên tục theo chuỗi lệnh G-code).
  • Định nghĩa và phân loại các hình thức tổ chức sản xuất: sản xuất đơn chiếc (sản lượng nhỏ, chủng loại nhiều, không lặp lại), sản xuất hàng khối (sản lượng lớn, chủng loại ít, ổn định) và sản xuất hàng loạt (dạng sản xuất trung gian, có tính lặp lại theo chu kỳ).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 đi sâu vào các cơ sở kỹ thuật tính toán và phân tích chuyên môn:

  • Đánh giá chi tiết ưu nhược điểm của công nghệ cắt gọt kim loại so với các phương pháp gia công khác; phân tích sâu cơ chế phay thuận (cải thiện độ nhám, giảm tải nhiệt) và phay nghịch (thuận lợi cho gia công thô nhưng cần lực kẹp lớn do lực cắt kéo bật phôi).
  • Khảo sát các dạng mài phẳng, mài tròn ngoài, mài tròn trong; phân tích thông số kỹ thuật của phương pháp cắt dây EDM (độ dày cắt tối đa $300\text{ mm}$, đường kính dây đồng phổ biến $0,25\text{ mm}$, độ chính xác dẫn hướng $0,004\text{ mm}$).
  • Đánh giá hệ thống khí nén - thủy lực: phân loại truyền động quay và truyền động thẳng, các ưu điểm về tốc độ đóng mở cơ cấu kẹp, độ sạch môi trường cùng các nhược điểm về độ ồn và dao động vận tốc khi tải thay đổi.
  • Hệ thống hóa các khái niệm dung sai: dung sai giới hạn, dung sai đơn phương/song phương, hệ thống kích thước và dung sai hình học (GD&T) cùng bản chất của dung sai lắp ghép.
  • Trình bày định nghĩa, vai trò, 6 thành phần cấu tạo chính và các nhóm đồ gá cơ khí (đồ gá gia công vạn năng, tháo lắp, vạn năng - điều chỉnh, chuyên dùng với chu kỳ sử dụng 3-5 năm, đồ gá kiểm tra, đồ gá lắp ráp).

Chương 3: Thiết kế nguyên công - Quy trình công nghệ

Chương 3 tập trung vào công tác chuẩn bị công nghệ cho chi tiết gia công:

  • Phân tích chi tiết gia công thông qua hình chiếu trục đo và bản vẽ chi tiết; xác định bề mặt gia công trọng yếu là cụm 2 lỗ $\varnothing 23$.
  • Xác định dạng sản xuất thông qua việc tra bảng sản lượng và khối lượng chi tiết.
  • Lập và so sánh 2 phương án phân chia nguyên công:
    • Phương án 1: Thiết kế trình tự gia công từ Nguyên công 1 đến Nguyên công 5.
    • Phương án 2: Xác định chuẩn thô ban đầu và phân bổ tuần tự các bước từ Nguyên công 1 đến Nguyên công 5 nhằm tối ưu hóa việc phân chia bề mặt gia công thô - tinh.
  • Chọn phôi và phương pháp tạo phôi phù hợp với dạng sản xuất hàng loạt.
  • Tính toán lượng dư gia công cho từng bước công nghệ và lập bảng kết quả tổng hợp chế độ cắt (chiều sâu cắt $t$, lượng chạy dao $s$, vận tốc cắt $v$, số vòng quay trục chính $n$).

Chương 4: Thiết kế chế tạo đồ gá

Chương 4 trình bày toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế và chế tạo bộ đồ gá chuyên dùng:

  • Thiết lập nguyên tắc định vị và kẹp chặt đồ gá nhằm triệt tiêu các bậc tự do cần thiết, đảm bảo độ cứng vững và chống rung động trong suốt quá trình máy CNC vận hành.
  • Tính toán lực kẹp cần thiết dựa trên điều kiện cân bằng lực với lực cắt lớn nhất phát sinh trong quá trình phay/khoan.
  • Lựa chọn cơ cấu kẹp chặt tự động bằng hệ thống khí nén - thủy lực, sử dụng ben hơi mã hiệu TGN 40-20, ben dầu CX-SD32-40 và van đồng hồ mo để điều khiển áp suất kẹp.
  • Lập quy trình công nghệ gia công chế tạo các bộ phận cấu thành của đồ gá, đặc biệt là các chi tiết kẹp chuyên dụng (Chi tiết kẹp 1, Chi tiết kẹp 2).

Chương 5: Thực nghiệm chế tạo hàng loạt sản phẩm

Chương 5 ghi nhận quá trình triển khai thực tế tại xưởng:

  • Thực hiện các bước gá đặt đồ gá lên bàn máy CNC 4 trục TONGTAI, kết nối hệ thống cấp áp lực và tiến hành gia công chi tiết hàng loạt theo đúng chương trình công nghệ đã thiết kế.
  • Tiến hành kiểm tra chất lượng sản phẩm sau khi gia công: đo đạc kiểm tra độ dày thực tế cần đạt của chi tiết, độ chính xác kích thước và vị trí của 2 lỗ $\varnothing 23$, hoàn thiện xử lý bề mặt trước khi nghiệm thu nhập kho.

Chương 6: Kết luận

Tổng kết toàn bộ kết quả nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đồ gá và gia công thực nghiệm chi tiết trên máy CNC 4 trục; khẳng định mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo đề tài mã số CKM-115.

Thiết kế và chế tạo hệ thống đồ gá

Hệ thống đồ gá chuyên dùng được nghiên cứu, tính toán và chế tạo đồng bộ nhằm phục vụ việc gá đặt nhanh và gia công chính xác chi tiết hàng loạt trên máy phay CNC đa trục.

Hạng mục / Thiết bị Ký hiệu / Mã hiệu kỹ thuật Chức năng và vai trò trong hệ thống
Máy công cụ gia công Máy CNC 4 trục TONGTAI Thực hiện các nguyên công cắt gọt đa trục theo chương trình gia công tự động.
Cơ cấu kẹp khí nén Ben hơi TGN 40-20 Tạo lực kẹp chuyển động thẳng nhanh, cố định phôi ban đầu vào vị trí định vị.
Cơ cấu kẹp thủy lực Ben dầu CX-SD32-40 Tạo lực kẹp thủy lực có áp suất cao, duy trì độ cứng vững chống lại lực cắt lớn.
Cơ cấu điều chỉnh áp lực Van đồng hồ mo Kiểm soát, giám sát và điều chỉnh áp suất lưu chất cấp vào hệ thống kẹp.
Bộ phận kẹp chuyên dùng Chi tiết kẹp 1 & Chi tiết kẹp 2 Tiếp xúc trực tiếp bề mặt định vị/kẹp chặt phôi, phân bố đều lực ép lên chi tiết.
Đối tượng gia công Chi tiết cơ khí hàng loạt Chi tiết cần gia công chính xác độ dày và hoàn thiện cụm 2 lỗ $\varnothing 23$.

Quy trình triển khai chế tạo và kiểm thử đồ gá gồm các giai đoạn:

  1. Gia công chi tiết đồ gá: Chế tạo hoàn thiện thân đế đồ gá, chi tiết kẹp 1, chi tiết kẹp 2 và các chốt định vị theo đúng dung sai bản vẽ.
  2. Lắp ráp và liên kết hệ thống: Lắp ghép cụm đồ gá lên bàn máy CNC 4 trục TONGTAI, đấu nối đường ống dẫn áp suất từ ben hơi TGN 40-20, ben dầu CX-SD32-40 qua cụm van đồng hồ mo.
  3. Thực nghiệm cắt gọt hàng loạt: Cấp phôi đầu vào, thực hiện chu trình kẹp chặt tự động, gia công thử nghiệm bề mặt và khoan/khoét/doa 2 lỗ $\varnothing 23$.
  4. Kiểm tra đo đạc: Sử dụng dụng cụ đo chuyên dụng để kiểm tra kích thước độ dày đạt yêu cầu, sai lệch khoảng cách tâm và đường kính 2 lỗ $\varnothing 23$, đánh giá độ tin cậy của đồ gá trước khi chuyển sang giai đoạn nhập kho hàng loạt.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Hoàn thành đầy đủ hồ sơ thiết kế, tính toán động học và động lực học của hệ thống đồ gá chuyên dùng trên máy CNC 4 trục TONGTAI.
  • Tính toán chính xác lực kẹp cần thiết, tích hợp thành công cụm chấp hành khí nén - thủy lực gồm ben hơi TGN 40-20, ben dầu CX-SD32-40 và van đồng hồ mo, đảm bảo thời gian kẹp/tháo phôi diễn ra nhanh chóng.
  • Xây dựng hoàn chỉnh 2 phương án quy trình công nghệ gia công; xác lập bảng thông số chế độ cắt và lượng dư gia công cho từng nguyên công.
  • Chế tạo thực tế bộ đồ gá, gia công thành công loạt sản phẩm thử nghiệm đảm bảo các thông số kích thước, độ dày và độ chính xác của 2 lỗ $\varnothing 23$.

Giải pháp và kiến nghị

  • Sử dụng kết hợp cơ cấu kẹp khí nén và thủy lực thay thế phương pháp kẹp ren vít thủ công truyền thống giúp giảm thiểu thời gian phụ trong sản xuất hàng loạt, đồng thời loại bỏ sai lệch do lực siết không đồng đều của công nhân.
  • Tận dụng khả năng phân độ và chuyển động của máy CNC 4 trục TONGTAI kết hợp đồ gá chuyên dùng để giảm số lần gá đặt chi tiết, hạn chế tích lũy sai số chuẩn.

Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp giải pháp kết cấu hoàn chỉnh về đồ gá gia công hàng loạt cho máy CNC 4 trục có khả năng ứng dụng trực tiếp tại các xưởng gia công cơ khí chính xác.
  • Làm rõ phương pháp luận kết hợp giữa tính toán lý thuyết (lực cắt, lực kẹp, chế độ cắt) và quy trình chế tạo thực nghiệm kiểm chứng sản phẩm cơ khí.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Kết cấu đồ gá được thiết kế thuộc dạng đồ gá chuyên dùng cho một đối tượng chi tiết cụ thể (gia công bề mặt và 2 lỗ $\varnothing 23$), do đó tính linh hoạt để sử dụng cho các sản phẩm có hình học khác biệt chưa cao. Tuổi thọ sử dụng đồ gá phụ thuộc vào độ mòn của các bề mặt định vị và cơ cấu xi lanh (theo lý thuyết đồ gá chuyên dùng đạt 3-5 năm).
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Nghiên cứu cải tiến hệ thống định vị sang dạng vạn năng - điều chỉnh để gá đặt được nhiều chủng loại chi tiết tương đồng; tích hợp thêm các cảm biến áp suất và cảm biến hành trình kỹ thuật số nhằm giám sát trạng thái kẹp chặt theo thời gian thực trên giao diện điều khiển máy CNC.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Chế tạo máy: Tham khảo phương pháp lập tiến trình công nghệ gia công chi tiết, phương pháp tính toán chế độ cắt, lượng dư gia công và tính toán lực kẹp đồ gá.
  • Kỹ sư thiết kế đồ gá và lập trình gia công CNC: Tham khảo giải pháp ứng dụng cơ cấu chấp hành khí nén - thủy lực (ben hơi TGN 40-20, ben dầu CX-SD32-40) tích hợp trên máy phay CNC 4 trục phục vụ sản xuất hàng loạt.
  • Phần nội dung đáng tham khảo nhất: Chương 3 (phân tích so sánh 2 phương án nguyên công, bảng tính chế độ cắt) và Chương 4 (tính toán lực kẹp, bản vẽ kết cấu chi tiết kẹp và sơ đồ ứng dụng ben khí nén - thủy lực).

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài đồ án tốt nghiệp mã số CKM-115 do ai thực hiện và thuộc đơn vị đào tạo nào?

Đề tài do nhóm sinh viên Nguyễn Khôi Nguyên (MSSV: 20144093), Nguyễn Minh Khánh (MSSV: 20144145) và Nguyễn Hoàng Vũ (MSSV: 20144340) thuộc lớp 20144CLC (khóa 2020-2024), Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Sơn Minh (với sự hỗ trợ góp ý của TS. Trần Minh Thế Uyên).

2. Hệ thống đồ gá trong đồ án sử dụng các thiết bị khí nén và thủy lực nào để kẹp chặt phôi?

Hệ thống sử dụng ben hơi mã hiệu TGN 40-20 và ben dầu mã hiệu CX-SD32-40 kết hợp với van đồng hồ mo để điều chỉnh áp suất và truyền động ép chặt các chi tiết kẹp (Chi tiết kẹp 1, Chi tiết kẹp 2) lên bề mặt định vị của phôi.

3. Đồ án tiến hành thực nghiệm gia công trên dòng máy công cụ nào và đối tượng kiểm tra là gì?

Thực nghiệm gia công được thực hiện trên máy CNC 4 trục TONGTAI. Sản phẩm sau gia công được đo đạc kiểm tra chất lượng về độ dày chi tiết và kích thước, khoảng cách của 2 lỗ $\varnothing 23$.

4. Tỷ trọng của phương pháp tiện và phay trong xưởng cơ khí được tác giả nêu ra như thế nào?

Theo số liệu thống kê trong đồ án, phương pháp tiện chiếm từ 25% đến 35% tổng số các nguyên công trong xưởng gia công cơ khí trên toàn thế giới, trong khi phương pháp phay chiếm khoảng 20% tổng khối lượng gia công cắt gọt.

5. Đồ án đã phân tích quy trình công nghệ gia công chi tiết qua những phương án nào?

Đồ án đã xây dựng và so sánh 2 phương án thiết kế nguyên công: Phương án 1 gồm 5 nguyên công gia công liên tiếp; Phương án 2 tiến hành chọn lại chuẩn thô ban đầu và phân bổ lại 5 nguyên công nhằm tối ưu hóa độ chính xác gá đặt và chế độ cắt.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo đồ gá trong gia công hàng loạt trên máy CNC" (mã số CKM-115) đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết lập quy trình công nghệ gia công cơ khí và chế tạo thành công bộ đồ gá chuyên dùng tích hợp cơ cấu kẹp khí nén - thủy lực (ben hơi TGN 40-20, ben dầu CX-SD32-40). Nghiên cứu đã hoàn thành việc tính toán chế độ cắt, lượng dư gia công, thiết kế các chi tiết kẹp và tiến hành thực nghiệm gia công hàng loạt chi tiết trên máy CNC 4 trục TONGTAI. Kết quả thực nghiệm kiểm tra chất lượng sản phẩm (đặc biệt là thông số 2 lỗ $\varnothing 23$ và độ dày chi tiết) chứng minh tính khả thi, độ cứng vững và hiệu quả ứng dụng thực tế của đồ gá trong sản xuất công nghiệp.